我們在日常生活中隨處可見聚乙烯塑膠,從輕便的購物袋到耐用的食品包裝袋,從時尚服飾到建築材料,它的廣泛套用極大地便利了人們的生活需要。與之相隨的,是一個不容忽視的問題——廢舊塑膠對環境的汙染。
人們對一次性塑膠用品的使用依賴,導致大量廢棄聚乙烯塑膠被丟棄在自然環境中,這些塑膠廢棄物難以降解,它們在汙染環境的同時還威脅著野生動植物的生存,甚至透過食物鏈間接影響著人類的健康。長此以往,會對土壤、水源和生態系造成不容忽視的負面影響。
那麽,如何才能實作對廢棄聚乙烯塑膠的環保回收和迴圈利用呢?
2024年4月9日,中國科學家在【自然-化學】(Nature Chemistry)雜誌上發表了一篇關於迴圈利用聚乙烯制備高品質汽油的文章,有望實作廢棄聚乙烯塑膠的高效利用。
從聚乙烯塑膠到高品質汽油的轉化
廢棄塑膠的資源化利用,不僅可以解決環境汙染問題,還能實作資源永續發展。在廢棄塑膠中,聚乙烯轉化難度很大,其非極性的「碳-碳鍵」在低溫條件下很難實作活化和斷裂。
目前,轉化聚乙烯的主要策略是在高反應溫度(400℃以上)、貴金屬催化劑和外加氫源條件下實作,嚴格的反應條件限制了工業化回收聚乙烯的套用。
基於催化轉化聚乙烯面臨的問題,研究人員利用四丁基氫氧化銨(C16H37NO)作結構導向劑,采用「一步水熱反應」合成具有層狀自支撐結構(LSP)的分子篩進行聚乙烯的催化轉化。
其中,結構導向劑在晶體合成或生長過程中,透過在化學反應中加入特定的配體或添加劑,引導分子組裝形成高度結晶化的有序結構,具有理想的物理和化學性質。層狀自支撐結構(LSP)由陽離子與陰離子透過離子鍵結合形成,具有足夠的強度和穩定性,無須額外支撐就可獨立存在。
介孔孔道介於微孔和大孔,孔徑大小在2-50Nm之間,具有高度有序的結構和豐富的表面活性,對催化劑效能有著重要作用。層狀自支撐分子篩具有更大的比表面積和豐富的介孔孔道,在催化反應中能使反應物充分接觸催化劑,提高反應速率。
與傳統分子篩材料相比,它具有獨特的自支撐結構和更多的強路易士酸位點。路易士酸位點是一種化學物質,能夠接受電子對特定位置(或區域),透過吸附和活化反應物實作催化作用。分子篩中的強路易士酸位點和其具備的形狀選擇性,在催化聚乙烯轉化時能夠發揮關鍵作用,因此,該層狀自支撐分子篩能更好的催化轉化聚乙烯。
汽油主要由 C4-C12 範圍的碳氫化合物組成,是烷烴、烯烴和環烷烴混合物。辛烷值是衡量汽油在氣缸內抗爆震能力的數位指標,通常用於評價車用汽油的效能,即汽油品質的高低。
實驗結果表明,該研究制備的層狀自支撐結構分子篩(LSP-Z100)在 240℃溫度、無外加氫源的條件下,經過4個小時就能實作從高密度聚乙烯到汽油的轉化,產率高達80%。透過檢測其液相產物,C4-C12 組分占比高達99%,支鏈烷烴占比72%,具有較高辛烷值(88.0),可媲美商業汽油辛烷值(86.6)。
以上結果表明,層狀自支撐結構分子篩(LSP-Z100)具備能將聚乙烯催化轉化為高品質汽油的可行性。該研究為解決廢棄聚乙烯塑膠的環境汙染問題,以及如何有效實作資源利用提供了新的思考路徑。
當我們在思考廢棄塑膠對環境造成的汙染時,從自身點滴做起,就是環保貢獻的開始。
減少使用日常生活中不必要的塑膠制品(比如一次性吸管、塑膠袋和餐具),促進社會環保意識的提升。垃圾分類也是關鍵一環,將可回收塑膠與其他垃圾分類處理,降低聚乙烯進入自然環境的機會,促進各類資源的迴圈利用。生態文明,人盡其責。
參考文獻
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出品丨科普中國
作者丨石暢 物理化學博士
監制丨中國科普博覽
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審校丨徐來 林林